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        基于APDL的門座起重機(jī)臺車參數(shù)化有限元仿真*

        2020-04-09 14:02:42
        起重運(yùn)輸機(jī)械 2020年22期
        關(guān)鍵詞:門座支腿臺車

        福建省特種設(shè)備檢驗研究院 福州 350008

        0 引言

        門座起重機(jī)作為散貨碼頭重要的裝卸設(shè)備,廣泛的應(yīng)用在港口、碼頭等企業(yè)中,為全民經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。隨著中國對外經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,門座起重機(jī)不僅在功能上推陳出新,在額載能力、工作速度上也不斷增強(qiáng)[1]。然而,由于門座起重機(jī)作業(yè)環(huán)境比較惡劣,一方面長期在海邊受到海風(fēng)的侵蝕;另一方面作業(yè)頻繁,很多散貨還帶有腐蝕性。因此,大車的行走臺車(以下簡稱臺車)上經(jīng)常出現(xiàn)母材或焊縫裂紋,成為出現(xiàn)裂紋概率最高的部件之一。這些裂紋的擴(kuò)展勢必帶來行走困難、耽誤生產(chǎn),嚴(yán)重的將發(fā)生局部坍塌或兩側(cè)行走不同步,造成起重機(jī)的傾翻事故。

        由于臺車的外形不規(guī)整,內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造成結(jié)構(gòu)受力分析困難、應(yīng)力容易集中,通過傳統(tǒng)的受力分析無法準(zhǔn)確判斷薄弱環(huán)節(jié)。因此,本文從有限元仿真角度來進(jìn)行實(shí)體建模、模擬施加約束和載荷、以及整體受力分析。此外,考慮到不同型號的門座起重機(jī)僅在臺車上的尺寸有所不同,為了避免重復(fù)建模,以及方便設(shè)計、維修上的優(yōu)化,還采用的Ansys軟件中的APDL語言來進(jìn)行參數(shù)化建模、仿真,再利用VB軟件編寫可視化程序,為臺車裂紋的原因分析,以及后期修復(fù)提供建議和幫助。

        1 臺車的參數(shù)化仿真

        1.1 載荷的確定

        門座起重機(jī)的門架有4個支腿,起重機(jī)轉(zhuǎn)臺以上可繞筒體中心做360°旋轉(zhuǎn),綜合起重機(jī)的運(yùn)行工況可知,各支腿承受載荷的極限工況如圖1所示。圖中a、b、c、d分別代表4個支腿,根據(jù)經(jīng)驗判斷在工況3時b支腿承受的載荷最大。

        針對工況3對模型進(jìn)行簡化。在不考慮外界擾動情況下,起重機(jī)整體只受豎直方向外力及自身的自重,故將起重臂系統(tǒng)簡化為一根梁。支腿支撐b、c連線與起重臂所在直線重合,此時臂架兩側(cè)臺車支撐a、d是對稱的,故臺車支撐a、d所受載荷相同,得該結(jié)構(gòu)的受力分析如圖2所示。圖中,G1為配重質(zhì)量,G2為轉(zhuǎn)臺及人字架總質(zhì)量,G3為臂架系統(tǒng)質(zhì)量,G4為載荷質(zhì)量;L1為幅度,L2為配重至上回轉(zhuǎn)中心的距離,L3為b、c支腿之間的距離,L4為轉(zhuǎn)臺及人字架總質(zhì)量至上回轉(zhuǎn)中心的距離,L5為臂架系統(tǒng)端部至回轉(zhuǎn)中心的距離;Fa、Fb和Fc為支腿的支撐反作用力。

        此時,結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu),無法直接由靜力學(xué)平衡原理求解,只能有變形協(xié)調(diào)條件增加方程求解。具體為釋放圖中a(d)處的約束代替以力Fa滿足在此約束處的繞度為零,此約束處的繞度為3個外伸梁模型集中載荷產(chǎn)生的繞度加一個簡支梁模型集中載荷產(chǎn)生的繞度之和。根據(jù)材料力學(xué)知識,對各集中力在該處的繞度進(jìn)行疊加,繞度以向上為正得出方程式為

        由式(1)可求得Fa,再通過式(2)對c點(diǎn)求力矩平衡即可求得Fb,最后根據(jù)式(3)求得Fc。由于支腿的力由支腿下方多個臺車承載,最終臺車受到的力為Fc/n,其中n為支腿下方臺車的個數(shù)。

        1.2 有限元模型的建立

        APDL是Ansys軟件中內(nèi)嵌的編程語言,通過APDL語言編寫的命令流來實(shí)現(xiàn)臺車的參數(shù)化建模[2]。建模時,以臺車上表面中心為原點(diǎn),建立笛卡爾坐標(biāo)系,采用Solid 45單元實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體建模。圖3為根據(jù)某門座起重機(jī)臺車的有限元模型。為確保計算準(zhǔn)確,劃分網(wǎng)格主要采用四邊形單元劃分,臺車的材料選擇Q235,彈性模量為2.1×105MPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3。

        1.3 邊界條件及載荷

        臺車兩側(cè)豎軸與行走機(jī)構(gòu)滑輪固結(jié),將兩豎軸孔底平面結(jié)點(diǎn)約束全部自由度,再根據(jù)前面計算得到的臺車載荷施加在臺車穿過臺車兩豎板的橫向軸兩端。

        1.4 計算結(jié)果及分析

        圖4為臺車結(jié)構(gòu)3個方向的總位移云圖。行走機(jī)構(gòu)臺車外載豎直向下,豎軸軸孔處位移最小,越靠近橫軸位移越大,合位移最大點(diǎn)在上平面中部橫軸處。圖5為臺車的Von mises等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出,最大Von-mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在下板兩端豎軸軸孔周圍,其他部位應(yīng)力均比較小。

        2 臺車的可視化界面

        Ansys軟件可通過APDL語言來實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)[3],結(jié)合VB軟件實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)的關(guān)鍵是通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)用APDL語言編寫的命令流,并在Ansys中運(yùn)行。其主要步驟有:

        1)在VB中生成供命令流文件調(diào)用的動態(tài)數(shù)據(jù)文件。通過VB中的print命令形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件,在事先編制好的命令流文件中加上/input命令。

        2)在VB中調(diào)用Ansys命令。在VB中它的實(shí)現(xiàn)方法是通過VB中的窗口函數(shù)Shell()來實(shí)現(xiàn)。

        3)VB對Ansys結(jié)果的提取與查看。查看輸出的文本文件可通過VB中的順序文件訪問的方法。

        圖6為行走機(jī)構(gòu)臺車的參數(shù)輸入界面。通過該界面用戶輸入數(shù)據(jù),然后點(diǎn)擊“確認(rèn)參數(shù)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析”按鈕,軟件啟動并生成新的數(shù)據(jù)文件,對命令流文件中尺寸代號進(jìn)行賦值,得到新的命令流文件,同時后臺調(diào)用啟動Ansys軟件進(jìn)行分析計算。當(dāng)軟件運(yùn)行提示Ansys計算完畢,用戶便可點(diǎn)擊“查看計算結(jié)果”按鈕,軟件自動彈出結(jié)果查看窗口,在窗口中可以查看基本的分析結(jié)果如圖7所示。

        3 臺車參數(shù)化分析應(yīng)用

        3.1 臺車裂紋概況及原因分析

        某港口的一臺門座起重機(jī)在運(yùn)行幾年后,在大車行走臺車腹板軸孔處的加強(qiáng)板與腹板焊接焊縫出現(xiàn)裂紋,裂紋的原因主要有:1)裂紋為加強(qiáng)板與腹板結(jié)構(gòu)的突變處,極易產(chǎn)生應(yīng)力集中;2)由于大車輪子運(yùn)行中的啃軌,將有可能帶來側(cè)向力;3)由于軌道接頭間隙超標(biāo)或軌道不平整時,大車移動過程將對臺車產(chǎn)生沖擊載荷。

        3.2 臺車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

        針對該臺車出現(xiàn)的裂紋,一方面應(yīng)對大車軌道進(jìn)行調(diào)整,如軌道間隙、高低差和跨度偏差等;另一方面應(yīng)對臺車焊縫裂紋處應(yīng)力集中情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。從后者來看,臺車的外形不規(guī)整,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,無法用傳統(tǒng)力學(xué)分析來計算各種板塊或是某個區(qū)域的應(yīng)力。為此,結(jié)合可視化有限元分析程序可以簡便、快捷地得到整體臺車應(yīng)力分布情況,同時亦可針對應(yīng)力較大的地方進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸方面的優(yōu)化[4]。

        圖8a為利用有限元分析程序進(jìn)行的臺車軸孔附近的靜態(tài)應(yīng)力計算結(jié)果。從分析上看,該加強(qiáng)板的上面和下面部分出現(xiàn)了應(yīng)力集中,但應(yīng)力集中的區(qū)域較小,且應(yīng)力值不大,在應(yīng)力允許的范圍。因此,可認(rèn)為造成裂紋的主要原因是動載荷,即大車運(yùn)行時的沖擊載荷所致。為了從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化,降低該處的應(yīng)力集中,最直接的辦法是增加加強(qiáng)板的面積。通過有限元分析程序,直接輸入加強(qiáng)板的直徑即可調(diào)節(jié)。直徑增大7%后的應(yīng)力分布情況見圖8b。比較圖8b和圖8a可知,加強(qiáng)板與腹板連接處的應(yīng)力明顯減小,最大約下降22%,同時略微較小了臺車的最大應(yīng)力值。此外,還可通過增大軸的直徑,其中軸增大16%后的應(yīng)力分布如圖8c。從圖中可以看出,在加強(qiáng)板中間原來應(yīng)力較大處的應(yīng)力明顯減小,減少約20%,加強(qiáng)板與腹板連接處應(yīng)力也下降約13%。圖8d為同時增大軸和加強(qiáng)板直徑的應(yīng)力云圖,可以看出原來應(yīng)力較大處的應(yīng)力均明顯減小。綜上所述,通過增大加強(qiáng)板的面積或增大軸的直徑是非常有效的辦法,但考慮修復(fù)的方便,可優(yōu)先選擇增大加強(qiáng)板的面積來增加承載能力。

        4 結(jié)論

        利用Ansys中的APDL參數(shù)化建模、分析,通過VB軟件建立友好的門座起重機(jī)臺車有限元分析程序,該程序可為不同尺寸的臺車實(shí)現(xiàn)快速的有限元分析。通過應(yīng)用表明,該程序能有效的為各種尺寸行走臺車進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化,以及在維修策略上,能提供支持與幫助,這種方法可為起重機(jī)中的其他重要部件設(shè)計優(yōu)化、維修最優(yōu)方案提供有力借鑒。

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